大型立式胀管机扩口座结构优化

储 杰， 祝梦臣， 尤永贵， 曹可可， 陈 韬

(黄山三佳谊华精密机械有限公司， 安徽 黄山 245041)

热交换器作为制冷散热的关键部件，在空调、冰箱、船舶和汽车等领域应用广泛[1-3]。管片式热交换器使用范围和应用场合较广，结构紧凑。翅片和铜(铝)换热管是热交换器的重要组成部分，在组成产线的各类装备中，胀管机和换热翅片级进模承担了主要功能[4-5]。胀管机将翅片和U型铜管胀接在一起，可分为立式和卧式。立式胀管机已问世30年，并衍生出100多种型号[6]。在立式胀管过程中，由于关键零部件的变形过大，易出现胀管不到位，进而影响产品质量。为解决此问题，对胀管机扩口座部件进行有限元分析并进行结构优化。谷万林等[4]研发了一种多功能智能化全自动胀管机，在原有胀管机的结构基础上，融合了自动输送线、机器人等智能化辅助设备，提高了生产效率。方豪等[7]对胀管机夹爪进行了静力学分析，通过正交实验优化了夹爪结构，提高了夹爪寿命与夹持能力。毕德耀[8]研发出空调制冷换热器超大型胀管机，增加了可移动翅片模定位系统，降低了铜管的收缩率。王蔷等[6]针对现有胀管机挂装门结构影响上料、下料工序的效率，研发了旋转门工作台，通过设置动力装置使得挂装门可自动旋转180°，提高了工作效率。肖世文[9]研发了数控强制式胀管机，在胀制铜管时对其两端施加约束使其固定，并采用伺服驱动代替原有的液压驱动，取得了较好的效果。

目前，许多胀管机仍然停留在凭经验设计的生产阶段，导致在新产品研发时往往反复修改。本文以胀管机扩口座为对象，进行静力学分析、响应面优化和模态分析，在合理参数范围内取最小变形，避免扩口座在工作过程中过大变形导致扩口不到位和共振问题。

1 扩口座静力学分析

立式胀管机通过胀头压入穿好翅片的铜管，实现翅片与铜管紧密接触。通过伺服电机驱动，经过喷油、胀管、扩口、翻边完成换热器加工工艺，主要结构包括胀杆胀管装置、无收缩夹紧装置、接收装置、扩口装置和电控装置。扩口装置作为胀管机的关键部分之一，直接决定了产品的质量，设计的胀管机结构图如图1所示。

(a)正面 (b)侧面

选取胀管机扩口座部分，在三维软件中建立扩口座装配体模型与ANSYS Workbench软件的关联，选择静力学Static Structual模块，扩口座材料为Q235，其属性如表1所示。

表1 仿真材料Q235属性表

为保证扩口质量，取胀管机扩口极限工况进行模拟分析，取扩口力80 000 N，对滑块和丝杠处施加约束，载荷和约束施加图如图2所示。网格大小直接决定了模拟结果的准确性，在扩口座的网格划分中取最大网格尺寸为10 mm，共划分网格337 931个，单元数618 409个。扩口座位移云图如图3所示，扩口座应力云图如图4所示。扩口座最大变形出现在中间部位，为0.289 26 mm，变形较大,将影响扩口质量；最大应力为30.056 MPa，小于材料的屈服强度。

图2 载荷与约束施加图

图3 扩口座位移云图

图4 扩口座应力云图

2 优化分析

由静力学分析可知，扩口座在满载工况下的最大变形为0.289 26 mm，变形较大,将影响扩口质量，因此对结构进行优化分析。扩口座结构复杂，对变形量影响的因素较多。为准确快速找到影响较大的因素，采用Workbench中多变量响应面优化方法，以最大变形为目标，进行多变量优化分析。扩口座结构图如图5所示，选取扩口座纵边厚P1、横边厚P2、高度P3、加强筋宽P4、底板厚P5作为优化参数，并给出优化参数的合理范围，在参数范围内求取最优解。为综合分析各因素对变形量的影响，进行相关因素的灵敏度分析，选取参数范围如表2所示。

图5 扩口座结构图

表2 设计的参数变化范围 单位：mm

灵敏度反映了各参数对变形的影响，可为优化提供参考，灵敏度分析结果如图6所示。扩口座横边厚P2、高度P3、底板厚P5对最大变形影响较大。高度P3对变形影响最大，为36.033%；横边厚P2次之，为32.873%；纵边厚P1和加强筋宽P4对变形影响较小。

图6 灵敏度分析结果

选取P2、P3、P5对扩口座变形的响应面。P2和P3对变形的响应面如图7所示，P3和P5对变形的响应面如图8所示，P2、P3、P5与最大变形量呈线性关系，随着P2、P3、P5增大，最大变形量逐渐减小。

经Workbench中Response Surface Optimization模块迭代得出：P1为25 mm、P2为25 mm、P3为250 mm、P4为20 mm、P5为40 mm时，最大变形量最小。由于P1和P4对变形影响较小，对参数值仍然采取原值。经过综合考虑，即选取P1为20 mm、P2为25 mm、P3为250 mm、P4为15 mm、P5为40 mm作为优化结果进行模型重建。优化后扩口座位移云图如图9所示，优化后扩口座应力云图如图10所示。优化后，扩口座的最大变形为0.192 08 mm，减小33.60%；最大应力为20.727 MPa，减小31.04%。

图10 优化后应力云图

3 模态分析

为防止优化后的结构发生共振现象，对优化后的扩口座部分进行模态分析[10]。扩口座优化后的振型图如图11所示，固有频率如表3所示，一阶固有频率为95.207 Hz。电机对扩口座的激振频率[11]：

(1)

式中：n为电机转速；δ为误差(一般取50)。本文胀管机电机最高转速为2 000 r/min，由此可知电机对扩口座的最大激振频率为68.33 Hz，而扩口座固有频率最低为95.207 Hz，大于68.33 Hz，不会发生共振现象。

(a)一阶振型图 (b)二阶振型图

(c)三阶振型图 (d)四阶振型图

(e)五阶振型图 (f)六阶振型图

表3 模态固有频率

4 结 语

基于ANSYS Workbench中Response Surface Optimization模块，以最大变形量为目标对胀管机扩口座进行多变量响应面优化。结果表明：扩口座横边厚P2、高度P3、底板厚P5对最大变形影响较大，纵边厚P1和加强筋宽P4对变形影响较小，P2、P3、P5与最大变形量呈线性关系，随着P2、P3、P5增大，最大变形量逐渐减小。优化前扩口座最大变形为0.289 26 mm，最大应力为30.056 MPa；优化后最大变形为0.192 08mm，减小33.60%；最大应力为20.727 MPa，减小31.04%。对优化后的模型进行模态分析，最小频率为95.207 Hz，而胀管机电机频率在68.33 Hz以下，避免了共振现象的发生。